一文詳解窄線寬激光器

00引言

許多激光應(yīng)用（見(jiàn)下文）需要具有非常小的光學(xué)線寬，即具有窄光譜的激光器。術(shù)語(yǔ)窄線寬激光器通常適用于單頻激光器，即在具有低相位噪聲和高光譜純度的單諧振腔模式上振蕩的激光器。通常，此類(lèi)激光器還表現(xiàn)出低強(qiáng)度噪聲。

01窄線寬激光器的種類(lèi)

最重要的窄線寬激光器類(lèi)型如下：

在半導(dǎo)體激光器中，分布式反饋激光二極管（DFB 激光器）和分布式布拉格反射激光器（DBR 激光器），例如工作在 在 1.5- 或 1.0-μm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)，是最常見(jiàn)的。典型的操作特性是幾十毫瓦（或可能略高于 100 毫瓦）的輸出功率和幾兆赫茲的線寬。

來(lái)自半導(dǎo)體激光器的明顯更小的線寬是可能的，例如 通過(guò)使用包含窄帶寬光纖布拉格光柵的單模光纖或其他類(lèi)型的外腔二極管激光器來(lái)擴(kuò)展諧振器。通過(guò)這種方式，可以實(shí)現(xiàn)幾千赫茲甚至低于 1 kHz 的超窄線寬。

分布式反饋激光器形式的小型光纖激光器（諧振腔主要由特殊的光纖布拉格光柵形成）可以產(chǎn)生數(shù)十毫瓦的輸出功率，線寬在幾千赫茲左右。

使用更長(zhǎng)的分布式布拉格反射激光器（DBR 光纖激光器）或單向光纖環(huán)形激光器以及使用光纖放大器可以產(chǎn)生更高的輸出功率。

二極管泵浦固態(tài)體激光器，例如 以非平面環(huán)形振蕩器的形式，也可以具有幾千赫茲的線寬，結(jié)合 1 W 數(shù)量級(jí)的相對(duì)較高的輸出功率。雖然 1064 納米波長(zhǎng)是典型的，但其他波長(zhǎng)，例如 在 1.3 或 1.5 微米波長(zhǎng)范圍內(nèi)也是可能的。

02窄激光線寬的基本因素

為了實(shí)現(xiàn)激光器的窄發(fā)射帶寬（線寬），必須觀察激光器設(shè)計(jì)的幾個(gè)問(wèn)題：

首先，需要實(shí)現(xiàn)單頻操作。當(dāng)使用具有小增益帶寬的增益介質(zhì)和短長(zhǎng)度的激光諧振器（導(dǎo)致大的自由光譜范圍）時(shí)，這是最簡(jiǎn)單的。目標(biāo)應(yīng)該是長(zhǎng)期穩(wěn)定的單頻操作，沒(méi)有跳模。

其次，必須盡量減少外部噪聲影響。這需要一個(gè)穩(wěn)定的諧振器設(shè)置（最好是單片的），可能有特殊的機(jī)械振動(dòng)保護(hù)。電泵浦激光器應(yīng)使用低噪聲電壓或電流源工作，而光泵浦激光器應(yīng)使用低強(qiáng)度噪聲的泵浦源。此外，必須避免任何光學(xué)反饋，例如 通過(guò)使用法拉第隔離器。理想情況下，外部噪聲的影響將低于內(nèi)部噪聲，例如 來(lái)自增益介質(zhì)中的自發(fā)輻射。這通常在高噪聲頻率下很容易實(shí)現(xiàn)，但在對(duì)線寬最重要的低噪聲頻率下則不然。

第三，應(yīng)優(yōu)化激光器設(shè)計(jì)，使激光器噪聲，尤其是相位噪聲最小化。高腔內(nèi)光功率和長(zhǎng)諧振器可能是有益的，盡管使用更長(zhǎng)的諧振器更難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的單頻操作。

當(dāng)然，設(shè)計(jì)優(yōu)化需要知道不同噪聲源的相對(duì)重要性，因?yàn)楦鶕?jù)哪個(gè)噪聲源占主導(dǎo)地位可能需要不同的措施。例如，根據(jù) Schawlow-Townes 方程最小化線寬的措施不一定會(huì)最小化實(shí)際線寬，如果這是確定的，例如 由于機(jī)械噪音。

03噪聲特性和規(guī)格

窄線寬激光器的噪聲特性和規(guī)格都遠(yuǎn)非微不足道的問(wèn)題。關(guān)于線寬的文章中討論了各種測(cè)量技術(shù)，特別是對(duì)于幾千赫茲或更低的線寬值，此類(lèi)測(cè)量要求很高。此外，單獨(dú)的線寬值不能被視為完整的噪聲特性；除了相對(duì)強(qiáng)度噪聲的信息外，最好有一個(gè)完整的相位噪聲譜。至少，線寬值應(yīng)該與測(cè)量時(shí)間一起指定，并且可能與一些關(guān)于較長(zhǎng)時(shí)間間隔的頻率漂移的信息一起指定。

當(dāng)然，不同的應(yīng)用有不同的要求，應(yīng)該詳細(xì)檢查在任何特定情況下真正要求的噪聲規(guī)范有多嚴(yán)格。

04窄線寬激光器的應(yīng)用

一個(gè)特別重要的應(yīng)用領(lǐng)域是傳感器領(lǐng)域，例如 用于應(yīng)變和/或溫度的光纖傳感器、各種類(lèi)型的干涉?zhèn)鞲?、使用差分吸收激光雷達(dá) (DIAL) 的痕量氣體檢測(cè)或使用多普勒激光雷達(dá)進(jìn)行風(fēng)速測(cè)量。一些光纖傳感器只需要幾 kHz 的線寬，而 100 kHz 就足夠了，例如，LIDAR 測(cè)量。

光頻計(jì)量需要線寬非常窄的光源，通常通過(guò)穩(wěn)定技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

全息術(shù)需要連續(xù)波或脈沖單頻激光器來(lái)產(chǎn)生高度相干的光。

通常對(duì)線寬要求不高的是光纖通信中的應(yīng)用，例如 在發(fā)射機(jī)中或用于測(cè)試和測(cè)量目的。

審核編輯：湯梓紅